隧道結(jié)構(gòu)裂縫病害治理方法研究

田奎

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430056）

1 引言

在公路工程和鐵路工程中，隧道工程是關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，尤其是在山區(qū)修建時(shí)，隧道能夠大大縮短線路里程，達(dá)到快速通行的目的。因此，隧道結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性是保證整體隧道通行能力的重要基礎(chǔ)。但由于隧道所處位置為地下，巖體性質(zhì)通常較為復(fù)雜，難以滿足設(shè)計(jì)和施工中的所有要求。普通混凝土襯砌結(jié)構(gòu)缺乏鋼筋骨架，抗彎強(qiáng)度不足，隨著運(yùn)行過(guò)程中材料性能的減弱，開裂、滲水等病害逐漸突出[1]。

已建公鐵隧道內(nèi)襯材料多由混凝土和鋼組成，從初期支護(hù)到二次襯砌，鋼材、混凝土交替存在，如若設(shè)計(jì)、施工等環(huán)節(jié)處理不當(dāng)，極可能在不均勻應(yīng)力的作用下造成襯砌材料出現(xiàn)大裂縫，進(jìn)而對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的安全性造成嚴(yán)重影響。目前，在國(guó)內(nèi)外已有許多研究人員對(duì)隧道襯砌材料的開裂問(wèn)題進(jìn)行了研究[2]，例如，對(duì)隧道形式，裂縫的形式、走向、條紋，以及裂縫的分類等。其次，在裂縫處理方面，國(guó)內(nèi)外也有不少學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，早期學(xué)者對(duì)裂縫處理主要以后期發(fā)現(xiàn)修補(bǔ)為主。近年來(lái)，越來(lái)越多的科技手段被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，并且逐步向前期預(yù)防裂縫轉(zhuǎn)變[3]。

2 裂縫分類

隧道是一種地下構(gòu)筑物，所處環(huán)境復(fù)雜，受各種因素的影響，隧道裂縫也復(fù)雜多樣，隧道結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因及形態(tài)也復(fù)雜多樣，在分類方法上也有所不同，目前隧道結(jié)構(gòu)裂縫病害的分類方法主要有以下3種：（1）從隧道裂縫的走向分類；（2）按裂縫所在的部位進(jìn)行分類；（3）按裂縫寬度進(jìn)行分類。

2.1 按裂縫走向進(jìn)行分類

按照裂縫走向，隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂縫大致可以分為沿隧道軸向發(fā)展的隧道縱向裂縫、沿隧道環(huán)向發(fā)展的環(huán)向裂縫、垂直于隧道軸向發(fā)展的橫向裂縫以及介于隧道縱向和橫向發(fā)展的斜向裂縫（見圖1）。

圖1 裂縫照按走向分類示意圖

2.2 按裂縫部位進(jìn)行分類

目前，我國(guó)修建的隧道一般形態(tài)相同，無(wú)論公路隧道還是鐵路隧道，大體形態(tài)均如圖1所示，只是大小有所差別。一般在公路隧道中，隧道的內(nèi)徑較大，鐵路隧道內(nèi)徑較小，但兩種隧道均可分為以下部分：（1）隧道的拱頂，如圖1中的區(qū)域A，一般指的是隧道最高部位及其周邊；（2）隧道的拱腰，一般指的是拱頂周邊至隧道起拱線位置，如圖1中的區(qū)域B；（3）隧道的邊墻，常指拱腰以下至隧道地面所在位置，如圖1中的區(qū)域C。各結(jié)構(gòu)部分產(chǎn)生的裂縫分別稱為：邊墻縫、拱腰縫及拱頂縫。

2.3 按裂縫寬度進(jìn)行分類

對(duì)裂縫按跨度分類時(shí)，一般參考相關(guān)規(guī)范進(jìn)行劃分，單位以毫米計(jì)量，常將裂縫寬度小于0.3 mm的裂縫稱之為毛裂縫；寬度大于0.3 mm而小于2 mm的裂縫稱之為小裂縫或細(xì)裂縫；寬度大于2 mm小于20 mm的裂縫稱之為中裂縫；大于20 mm的裂縫則被稱之為大裂縫，此類裂縫一般不允許在隧道結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生，一旦發(fā)生，將嚴(yán)重影響隧道的結(jié)構(gòu)安全和運(yùn)維安全。

3 隧道襯砌裂縫產(chǎn)生的原因

隧道裂縫造成的原因復(fù)雜且多樣，對(duì)隧道裂縫的成因分析可以從多角度出發(fā)，本研究對(duì)隧道裂縫的成因分析將從3個(gè)階段角度進(jìn)行：隧道開挖前、隧道開挖過(guò)程中和隧道開挖后。

3.1 隧道開挖前

隧道開挖前，一般指的是隧道的勘察設(shè)計(jì)階段。在進(jìn)行隧道勘察設(shè)計(jì)時(shí)，若沒(méi)有很好地對(duì)隧道選址區(qū)進(jìn)行地質(zhì)勘察，極易導(dǎo)致隧道修建在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中。從而使隧道產(chǎn)生裂縫，如果所處位置圍巖軟弱，隧道極易在修建過(guò)程中產(chǎn)生較大的沉降，不利于隧道施工，即使完成支護(hù)，也容易在圍巖較大的變形作用下致使隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的裂縫。如果隧道修建在高應(yīng)力或軟弱破碎圍巖條件下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)也容易產(chǎn)生裂縫。若隧道選址區(qū)地下水較淺，容易導(dǎo)致隧道襯砌浸沒(méi)在水中，水對(duì)鋼筋混凝土的侵蝕作用也容易導(dǎo)致隧道發(fā)生裂縫，且容易對(duì)隧道的運(yùn)維造成影響。

3.2 隧道開挖過(guò)程

隧道開挖過(guò)程，一般指隧道的施工過(guò)程，這類條件下隧道產(chǎn)生裂縫的主要原因如下：（1）施工過(guò)程不可靠，圍巖與襯砌之間的連接強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致在隧道發(fā)生變形時(shí)，不能發(fā)揮圍巖與襯砌的結(jié)合支護(hù)作用，進(jìn)而導(dǎo)致隧道產(chǎn)生較大的裂縫。（2）隧道襯砌材料選擇不當(dāng)，尤其是混凝土的選擇，當(dāng)選擇的混凝土強(qiáng)度較低時(shí)，無(wú)法承擔(dān)較高的圍巖壓力，進(jìn)而導(dǎo)致裂縫，當(dāng)混凝土材料選擇強(qiáng)度較高時(shí)，容易導(dǎo)致施工工藝復(fù)雜，進(jìn)而對(duì)施工班組要求較高，不當(dāng)?shù)氖┕し椒ɑ虿划?dāng)?shù)氖┕と藛T均容易造成混凝土開裂。（3）施工工藝選擇不當(dāng)，施工工藝也是影響隧道襯砌裂縫的主要因素之一，良好的施工工藝能有效減少襯砌施工過(guò)程中裂縫的產(chǎn)生。

3.3 隧道開挖后

隧道開挖后主要指的是隧道的運(yùn)維階段，在此階段的主要影響因素是隧道運(yùn)行管理和監(jiān)測(cè)、及時(shí)消除地下水、及時(shí)控制小裂縫、預(yù)測(cè)隧道附近山體蠕變、泥石流控制等。對(duì)隧道的運(yùn)維管理和監(jiān)測(cè)可以預(yù)防裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，運(yùn)維管理和監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要包括襯砌是否發(fā)生滲漏、山體地質(zhì)構(gòu)造的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及變形量等。

4 隧道襯砌裂縫治理方法

進(jìn)行隧道襯砌裂縫治理時(shí)，應(yīng)結(jié)合上述襯砌裂縫產(chǎn)生原因，本研究主要從以下4個(gè)方面進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)裂縫病害的預(yù)防與治理分析：（1）隧道勘察階段的裂縫預(yù)防措施；（2）隧道設(shè)計(jì)階段的裂縫預(yù)防措施；（3）隧道施工過(guò)程中的裂縫治理；（4）隧道運(yùn)維過(guò)程中的裂縫治理。

4.1 隧道勘察階段的裂縫預(yù)防措施

隧道勘察階段一般以預(yù)防裂縫發(fā)生為主。在此階段，隧道尚未修建，但不準(zhǔn)確的勘察結(jié)果會(huì)間接導(dǎo)致隧道產(chǎn)生裂縫。因此，勘察階段應(yīng)合理進(jìn)行隧道選址，選擇地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，如圍巖品質(zhì)良好，沒(méi)有豐富的地下水的串流，沒(méi)有高地應(yīng)力，沒(méi)有軟弱圍巖，沒(méi)有破碎圍巖，地質(zhì)構(gòu)造不明顯區(qū)域等。目前，可通過(guò)提高勘察儀器的精度及勘察結(jié)果的準(zhǔn)確性提高隧道選址的合理性，以此避免或減少隧道結(jié)構(gòu)病害裂縫的產(chǎn)生。

4.2 隧道設(shè)計(jì)階段的裂縫治理方法

進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)時(shí)，首先，應(yīng)對(duì)不良地質(zhì)進(jìn)行規(guī)避；其次，對(duì)于無(wú)法規(guī)避的不良地質(zhì)，應(yīng)及時(shí)制訂科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，尤其在圍巖等級(jí)較差的地質(zhì)環(huán)境中，良好的設(shè)計(jì)方案有助于規(guī)避由于設(shè)計(jì)不當(dāng)造成的隧道結(jié)構(gòu)襯砌裂縫。

除此之外，為了更好地從設(shè)計(jì)階段防治隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生，不少學(xué)者已將各類數(shù)字技術(shù)運(yùn)用到隧道設(shè)計(jì)中，如BIM技術(shù)等高維仿真技術(shù)，利用該類技術(shù)，可以將隧道的地質(zhì)信息與隧道結(jié)構(gòu)信息相結(jié)合，并通過(guò)圖2所示BIM網(wǎng)格對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，以此規(guī)避隧道襯砌裂縫。

圖2 隧道結(jié)構(gòu)受力分析B IM模型示意圖

4.3 隧道施工過(guò)程中的裂縫治理方法

準(zhǔn)備施工材料時(shí)，需要合理選擇水泥材料的種類，骨料種類、細(xì)度以及混凝土的配合比，有助于減少由于混凝土收縮產(chǎn)生的裂縫。施工時(shí)，工藝應(yīng)簡(jiǎn)單，符合力學(xué)原則，并正確控制光滑爆破的程度，以確保襯砌厚度均勻，避免應(yīng)力過(guò)大。圍巖和襯砌之間的連接應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。襯砌混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，可以拆除混凝土綁扎物。

在后處理過(guò)程中，襯砌混凝土的表面漆層應(yīng)盡可能均勻，其厚度應(yīng)合適，以避免混凝土碳化使鋼筋暴露而生銹。同時(shí)，合理確定伸縮縫的間距。

4.4 隧道運(yùn)維過(guò)程中的裂縫治理方法

在隧道的運(yùn)維過(guò)程中，應(yīng)及時(shí)排出地下水，及時(shí)處理小裂縫，防止其膨脹。如果裂縫導(dǎo)致泄漏，可以使用聚氨酯樹脂對(duì)裂縫進(jìn)行堵塞，必要時(shí)可以使用環(huán)氧樹脂提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。另外，應(yīng)提前預(yù)測(cè)和控制隧道附近的山地蠕變和泥石流。

目前，針對(duì)隧道運(yùn)維階段的隧道裂縫病害治理方法較多，以紅外圖像識(shí)別監(jiān)測(cè)為例，該方法主要通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)：首先，由紅外圖像采集儀對(duì)隧道整體進(jìn)行圖像采集，并在頻域內(nèi)對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理；其次，在圖像子塊中計(jì)算每個(gè)像素的條件紋理各向異性，并用迭代法得到最優(yōu)閾值，以此根據(jù)該閾值確定圖像子塊中的裂紋。最后，將每個(gè)子區(qū)域的裂縫連接起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫的識(shí)別，再根據(jù)裂縫的大小進(jìn)行處治。除此紅外圖像識(shí)別之外，還有以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的深度學(xué)習(xí)技術(shù)等也正在廣泛被應(yīng)用于隧道裂縫的識(shí)別于處理。

5 結(jié)語(yǔ)

隧道結(jié)構(gòu)裂縫病害一直是困擾隧道修建及運(yùn)維的難題，為解決此難題，本文首先對(duì)裂縫的分類進(jìn)行介紹，在此基礎(chǔ)之上，從隧道開挖前、開挖中以及開挖后3個(gè)階段系統(tǒng)地分析了隧道結(jié)構(gòu)裂縫的主要成因，以及隧道設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行階段可能導(dǎo)致裂縫發(fā)展的因素，并針對(duì)以上原因提供了裂縫的處理方法，為隧道結(jié)構(gòu)裂縫病害的處治奠定理論基礎(chǔ)。